Algoritmos Aprendizaje Automático.2012

Inteligencia Artificial.
Actividad Académica
Colaborativa 3
Actividad de Aplicación. Algoritmos de
Aprendizaje Automático
Guillermo Santos García

@gsantosgo

2012

AAC 3 – Actividad de Aplicación. Algoritmos de Aprendizaje
Automático

Contenido
1. Objetivo.............................................................................................................................. 3
2. Enunciado .......................................................................................................................... 3
3. Plataforma de desarrollo .................................................................................................. 3
4. Proceso de desarrollo de la solución ............................................................................... 3
4.1 Descargar e instalación RapidMiner 5.2.000............................................................. 3
4.2 Proceso de Aprendizaje Automático ......................................................................... 7
4.2.1 Conjunto de Datos Seleccionados .......................................................................... 8
4.2.2 Importación de datos............................................................................................. 10
4.2.3 Detalles de Recursos .............................................................................................. 16
4.2.4 Algoritmo de Reglas ............................................................................................... 16
4.2.5 Árboles de decisión ................................................................................................ 18
4.2.6 Naive Bayes (Bayes Ingenuo) ................................................................................ 21
4.2.7 Soporte de Máquinas Vectoriales ......................................................................... 25
4.3 Comparativa .............................................................................................................. 28
4.3.1 Resultados Algoritmo de Reglas ........................................................................... 29
4.3.2 Resultados Arboles de Decisión ............................................................................ 31
4.3.3 Resultados Naive Bayes ......................................................................................... 32
4.3.4 Resultados Support Vector Machine .................................................................... 34
4.3.5 Conclusión Final ..................................................................................................... 35

Inteligencia Artificial Página 2 de 36

Automático

1. Objetivo
 Conocer las diferencias entre los distintos algoritmos de aprendizaje
automático.
 Utilizar una herramienta para minería de datos y comparar varios algoritmos de
aprendizaje automático. Para ello vamos a trabajar con la herramienta
RapidMiner.

2. Enunciado
La práctica se compone de los siguientes pasos:
1. Descargar e instalar la herramienta RapidMiner (http://rapid-i.com)
2. Utilizando las colecciones de ejemplos que vienen en los repositorios de
ejemplo, realizar una comparativa de los resultados de un algoritmo de reglas,
uno de árboles de decisión, el Naive Bayes y uno de soporte de máquinas
vectoriales.
3. Cada miembro del grupo debe probar n/2 algoritmos.
4. Una vez hechas las pruebas, se deben juntar los resultados obtenidos por cada
miembro y comparar los resultados.

3. Plataforma de desarrollo
Para realización de esta práctica, se ha utilizado:

- Dell Inspiron 1525 Core 2 Duo.
- Sistema Operativo Windows XP SP3 32Bits.
- Java Runtime Environment 1.6.0_27.
- Rapid Miner 5.2.000 Community Edition.

4. Proceso de desarrollo de la solución

4.1 Descargar e instalación RapidMiner 5.2.000
Para completar la realización de esta práctica necesitamos hacer uso de la herramienta
de minería de datos RapidMiner. RapidMiner es una herramienta para realizar

Automático

aprendizaje automático, minería de datos, minería de texto, análisis predictivo y
análisis de negocios mediante una interface gráfica de usuario. Entre sus
características podemos destacar:

- Extracción, Transformación y Carga de datos (ETL).
- Preprocesamiento de datos.
- Visualización.
- Modelización.
- Evaluación.
- Despliegue.

Nota. RapidMiner es una aplicación que está programada en Java, luego para llevar
a cabo su ejecución se requiere la máquina virtual de Java de Oracle.

Nota. La distribución de RapidMiner que vamos a usar es la Community Edition.
Existe otra distribución como es la Enterprise Edition que soporta una serie de
servicios y garantías adicionales.

¿Dónde realizamos la descarga?

Nos tenemos que ir a la siguiente U.R.I. http://rapid-i.com/content/view/26/84/. Una
vez en esta página seleccionamos el enlace de descarga para nuestra plataforma que
en nuestro caso es Windows versión de 32 bits. A continuación, nos da la opción de
podernos registrar en el Sitio Web de RapidMiner, como el registro es opcional,
decidimos no registrarnos. Y, ya por último, se procede a la descarga del producto
seleccionado y que realmente se encuentra es la siguiente U.R.I.:

https://sourceforge.net/projects/rapidminer/files/1.%20RapidMiner/5.2/rapidmine
r-5.2.000x32-install.exe/download

En este punto ya tendremos un fichero descargado con este nombre rapidminer-
5.2.000x32-install.exe.


Automático

Instalación

Procedemos a su instalación mediante la ejecución del fichero anteriormente
descargado.

Una vez que el producto se ha instalado correctamente, podemos observar en la
siguiente imagen que su instalación se ha producido en el directorio C:Archivos de
programaRapid-IRapidMiner5, en este caso para el Sistema Operativo Windows XP.

Ejecución de la Aplicación

Para llevar a cabo la ejecución simplemente accedemos al menú de aplicaciones de
Windows XP Y ejecutamos la opción de menú RapidMiner 5. Y comenzará, a iniciarse
la aplicación.


Automático

En la siguiente imagen podemos observar el aspecto del entorno de RapidMiner 5.


Automático

4.2 Proceso de Aprendizaje Automático
Recordamos que dentro del proceso de aprendizaje automático existen como dos
métodos básicos:

- Aprendizaje Automático Supervisado. En el que tomamos un conjunto de
datos con sus atributos y su clase, y se crea un modelo de clasificación también
llamado clasificador. Este modelo constará de un algoritmo de clasificación que
se encargará de poder clasificar los datos en una determinada clase objetivo.

Posteriormente este modelo que se ha generado, va a usar toda su información
de aprendizaje ya almacenada, para clasificar o predecir la clase, de un
conjunto nuevo de datos sin clasificar (Ej. En el caso de detección de correo
basura o Spam, cuando llega un nuevo correo, el modelo nos dirá si el correo es
basura o no).

Objetivo. Generalización de Comportamiento


Automático

- Aprendizaje Automático No Supervisado. Aquí no existe una clase, nosotros
tenemos un conjunto de datos, y queremos a obtener patrones o reglas ocultas
a partir de esos datos.

Objetivo. Detención de patrones o reglas de asociación

4.2.1 Conjunto de Datos Seleccionados
En este punto vamos realizar una descripción del conjunto de datos seleccionados para
realizar esta práctica de aprendizaje automático.

¿Cuál es el conjunto de datos para realizar esta práctica?

El conjunto de datos (dataset) que hemos elegido del Repositorio de Aprendizaje
Automático de UCI es Breast Cancer Wisconsin (Diagnostic) Data Set.

Para más información acerca de este conjunto de datos podemos dirigirnos a la
siguientes U.R.I.:
http://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Breast+Cancer+Wisconsin+%28Diagnostic%29

Información del Conjunto de Datos

Las características se calculan a partir de una imagen digitalizada de una aspiración con
aguja fina (FNA) de una masa mamaria. Ellas describen las características de los
núcleos de células presentes en la imagen.

Número de instancias: 699.

Número de atributos: 10 atributos y 1 clase.

Clase objetivo: Clasificación binaria 2=Cáncer Benigno y 4=Cáncer Maligno.

Información de los atributos

ID Atributo Dominio
1 Sample code number Id number
2 Clump Thickness 1 - 10
3 Uniformity of Cell Size 1 - 10
4 Uniformity of Cell Shape 1 - 10
5 Marginal Adhesion 1 – 10
6 Single Epithelial Cell Size 1 – 10
7 Bare Nuclei 1 – 10


Automático

8 Bland Chromatin 1 – 10
9 Normal Nucleoli 1 – 10
10 Mitoses 1 – 10
11 Class 2:benign, 4:malignant

Vista del conjunto de datos desde un editor de texto

¿Cómo son los datos?

Antes de realizar cualquier proceso exploratorio de minería de datos, siempre es
aconsejable ver los datos. Existen muchos formatos de datos e incluso su codificación
depende del algoritmo que se desee utilizar.

Detalles a tener en cuenta, a la hora de trabajar con un conjunto de datos (dataset).

- Encabezamientos de columnas.
- Identificadores de filas.
- Separadores. Si se usa la coma (,) como separador de atributos, podemos tener
problemas con valores numéricos.
- Valores en falta (Missing values). Puede que haya atributos que no tengan
valores en algunos casos.


Automático

4.2.2 Importación de datos
Antes de proceder a crear los modelos de aprendizaje automático, dentro de mi
repositorio local en la herramienta RapidMiner decido crear la siguiente estructura de
carpetas para la realización esta práctica.

La carpeta denominada ConjuntoDatos almacenará la importación de conjunto de
datos (datasets) y la carpeta denominada ProcesosAprendizaje almacenará los
diferentes procesos de aprendizaje de los distintos algoritmos que se piden para esta
práctica.

¿Qué fichero tenemos que importar?

El fichero a importar es breast-cancer-wisconsin.data. Este fichero está en formato de
datos CSV (comma-separated values).

Nota. Desde RapidMiner, la opción de importar nuestro conjunto de datos desde la
Pestaña Repositories y la opción de Menu Import CSV File (ver imagen) tiene un
problema. Qué si nos hemos equivocado en alguna de las configuraciones de los
distintos pasos de importación, y queremos modificarlo a posteriori, no es posible
y tenemos que realizar todo el proceso de importación de nuevo. Existe una mejor
alternativa que es usar el operador Import > Data > Read CSV.

Pasos de Importación de Conjunto de Datos mediante operador Read CSV


Automático

El operador Read CSV se usará para realizar la importación del conjunto de datos de
Cancer de Mama de Wisconsin, y que se usará este mismo operador para los procesos
de aprendizaje de los distintos algoritmos.

A, continuación, indicamos los cuatro pasos llevados a cabo usando el asistente de
importación, que nos proporciona el operador Read CSV.

En la siguiente imagen podemos ver el operador seleccionado Read CSV.

Paso 1. Asistente de Importación de Datos

Indicamos el fichero del conjunto de datos que queremos importar.


Automático


En este paso indicamos cuál es el separador de los distintos atributos del conjunto de
datos, en este caso es la coma (“,”).


En este paso se pueden realizar anotaciones de los atributos.


Automático


En este punto especificamos el nombre de cada uno de los atributos del conjunto de
datos, también se definen los tipos de datos de nuestros atributos y además se asignan
roles a los atributos. El atributo Code Number tendrá el rol de ID y Class tendrá en rol
de Label (Etiqueta).

Nota. Hemos observado que RapidMiner detecta automáticamente los tipos de los
atributos, pero a veces de manera errónea, tenemos que tenerlo en cuenta.


Automático

En caso, de que al realizar la importación queramos cambiar el título, tipo de algún
atributo, podemos hacerlo cambiando los parámetros del operador Read CSV.

Nota. De manera general durante cualquier proceso de minería de datos, el 70%
del tiempo se va en la selección, procesamiento y transformación de los datos.
Todas estas fases son esenciales. Para generar un buen modelo que nos permita
generalizar el comportamiento, es requisito imprescindible una buena colección de
datos.

Detalles de la vista de los metadatos de Breast Cancer Wisconsin.


Automático

Observamos que para el atributo Bare Nuclei existen 16 instancias en el que falta el
valor para ese atributo (?). La falta de valores no sabe como procesarlas RapidMiner y
puede darnos problemas a la hora de crear un modelo de aprendizaje. Nuestra
decisión es realizar un filtrado en todos los procesos de aprendizaje para obviar esas
16 instancias, con lo cual solamente tendremos un total de 683 instancias en lugar de
699.

Este filtrado lo realizamos mediante el operador Data Transformation > Filtering >
Sampling > Filter examples con la condición de que no se admiten instancias con
atributos con falta de valores (no_missing_attributes).


Automático

En este punto, ya sabemos cómo se realiza la importación de datos y filtrado de datos,
que servirá como base para todos modelos de aprendizaje con su respectivo
algoritmos que se piden para esta práctica.

4.2.3 Detalles de Recursos
Se detalla brevemente los diferentes recursos de esta práctica:

Procesos de Aprendizaje Fichero
Árbol de Decisión DecisionTree_BreastCancerWisconsin.rmp
Árbol de Decisión (Evaluación) DecisionTree_BreastCancerWisconsin_Perf.rmp
Naive Bayes NaiveBayes_BreastCancerWisconsin.rmp
Naive Bayes (Evaluación) NaiveBayes_BreastCancerWisconsin_Perf.rmp
Reglas RuleInduction_BreastCancerWisconsin.rmp
Reglas (Evaluación) RuleInduction_BreastCancerWisconsin_Perf.rmp
SVM SVM_BreastCancerWisconsin.rmp
SVM (Evaluación) SVM_BreastCancerWisconsin_Perf.rmp

4.2.4 Algoritmo de Reglas
Los algoritmos de generación de reglas se encuentran entre los más populares en el
aprendizaje automático, debido a que los clasificadores que producen son series de
reglas que se pueden usar tanto para clasificar datos como para comprenderlos por
nuestra parte.

El operador empleado de RapidMiner para realizar un proceso de aprendizaje basado
en un algoritmo de reglas es Rule Induction.

Automático

Para acceder a este operador dentro de los operadores de RapidMiner debemos seguir
esta ruta Operador Modelling > Classification and Regression > Rule Induction > Rule
Induction (Versión 5.2.000).

Nota. El operador Rule Induction funciona de manera similar a la regla de
aprendizaje proposicional llamada Repeated Incremental Pruning to Produce Error
Reduction (RIPPER).

Los métodos de Inducción de Reglas Supervisadas (Rule Induction), proporcionan
una forma más fácil de comprensión del clasificador.

En la siguiente imagen podemos observer el proceso denominado
RuleInduction_BreastCancerWisconsin.

Como se ha comentado anteriormente, es necesario filtrar los datos antes de
procesarlos para eliminar las instancias por falta de valores, por ello usamos el
operador Filter Examples antes del operador Rule Induction.


Automático

Cuando ejecutamos el proceso estos son los resultados obtenidos:

Se han obtenido un conjunto de 8 reglas, con sus respectivas distribuciones. Si clase
objetivo es 2, el cáncer es benigno y si es 4 el cáncer es maligno.

4.2.5 Árboles de decisión
Un árbol de decisión es un grupo jerárquico de relaciones organizados dentro de una
estructura de árbol, comenzando con una variable denominada nodo raíz. El nodo raíz
es dividido en dos o más ramas, representación de clases separadas del nodo raíz (si es
categórica) o rangos específicos a lo largo de la escala del nodo (si es continua).

El operador empleado de RapidMiner para realizar un proceso de aprendizaje basado
en un algoritmo de arboles de decisión es Decision Tree.

esta ruta Operador Modelling > Classification and Regression > Decision Tree >
Decision Tree (Versión 5.2.000).


Automático

Nota. El operador Decision Tree realiza árboles de decisión a partir de datos
nominales y numéricos. Los árboles de decisión normalmente son fáciles de
comprender por los seres humanos y son métodos de clasificación poderosos.

Este operador Decision Tree funciona de manera similar al algoritnmo C4.5 o un
CART.

Los nodos de árbol permiten bifurcar en función de los atributos y sus valores.

Las hojas del árbol nos proporcionan una predicción.

Deseamos que la predicción asociada a una hoja sea buena para los datos cuyos
valores en los atributos lleven a esa hoja.

Filtramos los datos antes de procesarlos para eliminar las instancias por falta de
valores, por ello usamos el operador Filter Examples antes de del operador Decision
Tree.


Automático


 Vista Gráfica (Graph View). Se muestra una estructura de árbol de decisión con
los diferentes nodos que se corresponden a atributos y sus diferentes ramas
que indican las decisiones. Los nodos hojas indican la predicción. Recordamos si
el valor del nodo es 2 el cáncer es benigno, y si es 4 el cáncer es maligno.

 Vista Texto (Text View). Representación del árbol en forma de texto.


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4.2.6 Naive Bayes (Bayes Ingenuo)
Dentro de los algoritmos probabilísticos, el más simple aunque frecuentemente
efectivo es Bayes Ingenuo, o Naive Bayes. Este algoritmo asume independencia
estadística entre los atributos, lo que es manifiestamente falso en el mundo real, y
sería equivalente a una red bayesiana con un nodo por atributo, todos ellos
independientes y apuntando al atributo de la clase.

El modelo construido es una tabla de probabilidades que se utilizan en el momento de
la clasificación para estimar la probabilidad de que un nuevo ejemplo pertenezca a
cada clase.

esta ruta Operador Modelling > Classification and Regression > Bayesian > Modeling
(Version 5.2.000).

Nota. El operador Naive Bayes proporciona una modelo de clasificación usando
distribuciones normales estimadas.Se trata de un clasificador probabilístico basado
en el teorema de Bayes y algunas hipótesis simplificadores adicionales.

Nosotros hemos usado la corrección de Laplace para prevenir la influencia de las
probabilidades de cero.

Automático

Como se ha comentado anteriormente, es necesario filtrar los datos antes de
procesarlos para eliminar las instancias por falta de valores, por ello usamos el
operador Filter Examples antes de usar el operador Naive Bayes.


 Vista Texto (Text View)


Automático


Automático

 Vista en Gráfico (Plot View) Podemos observar las dos distribuciones para
cáncer benigno (2) y cáncer maligno en función del atributo “Clump Thickness”.

 Tabla de distribución (Distribution table)


Automático

4.2.7 Soporte de Máquinas Vectoriales
Máquinas de Soporte de Vectorial o Maquinas de Vectores de Soporte son un conjunto
de algoritmo de aprendizaje Supervisados.

Estos métodos están propiamente relacionados con problemas de clasificación y
regresión. Dado un conjunto de ejemplos de entrenamiento (de muestras) podemos
etiquetar las clases y entrenar una SVM para construir un modelo que prediga la clase
de una nueva muestra.

Este operador está ubicado en la siguiente ruta del RapidMiner:

esta ruta Operador Modelling > Classification and Regression > Support Vector
Modeling > Support Vector Machine (Version 5.2.000).

Nota. El operador Support Vector Machine es JMySVMLearner que proporciona
una implementación Java interna del mySVM de Stefan Rueping.

Son predictores lineales, que durante su entrenamiento consiste en calcular el
hiperplano de margen máximo. Para ello se aplica una variante dual de
programación cuadrática convexa que opera con los datos mediante productos
escalares

Proporciona un algoritmo rápido con resultados buenos para muchas tareas de
aprendizaje.

Nota. Cada operador de aprendizaje tiene capacidades particulares para el manejo
de conjunto de datos. El algoritmo SVM no soporta conjunto de datos (dataset)
cuyos atributos sean polinominal.


Automático

Como en los demás procesos de aprendizaje, aquí también eliminamos las instancias
por falta de valores, para ello usamos el operador Filter Examples antes del operador
SVM.


 Vista de Texto (Text View)


Automático

 Tabla de Pesos (Weight table)

 Tabla Vector Soporte (Support Vector table)


Automático

4.3 Comparativa
En esta práctica, nosotros hemos importado el conjunto de datos Breast Cancer
Wisconsin y hemos realizado un entrenamiento basado en distintos módelos de
aprendizaje como son: un modelo de reglas, un modelo de árbol de decisión, un
modelo de Naive Bayes (Bayes Ingenuo) y por último un modelo Support Vector
Machine (SVM). Para realizar una evaluación de cada modelo de aprendizaje hemos
usado la validación cruzada. Recordamos que la validación cruzada (X-Validation)
funciona usando parte de los datos para entrenar el modelo, y el resto del conjunto de
datos para prueba de la precisión (accuracy) del modelo entrenado. De las 683
instancias disponibles para el conjunto de datos (dataset) Breast Cancer Wisconsin, el
90% de las instancias últimas se usará para entrenamiento del modelo, y el 10% de las
instancias primeras se usará para probar la precisión (accuracy) del modelo entrenado.

El objetivo es predecir el cáncer de mama en Wisconsin, clasificando los canceres en
benignos (2) y malignos (4).

A, continuación, indicamos los resultados obtenidos mediante validación cruzada, en el
siguiente orden:

- Resultado Algoritmo de Reglas.
- Resultado Árbol de Decisión.
- Resultado Naive Bayes.
- Resultado Support Vector Machine.


Automático

4.3.1 Resultados Algoritmo de Reglas
Recurso: RuleInduction_BreastCancerWisconsin_Perf

Tabla de contingencia para dos clases 2=Cáncer Benigno y 4=Cáncer Maligno.


Automático



Automático

4.3.2 Resultados Arboles de Decisión
Recurso: DecisionTree_BreastCancerWisconsin_Perf



Automático


4.3.3 Resultados Naive Bayes
Recurso: NaiveBayes_BreastCancerWisconsin_Perf



Automático



Automático

4.3.4 Resultados Support Vector Machine
Recurso: SVM_BreastCancerWisconsin_Perf



Automático


4.3.5 Conclusión Final
En esta práctica se han empleado modelos predictores basados en diferentes
algoritmos de aprendizaje, y que emplean diferentes técnicas de cálculos para predecir
la clase objetivo.

Los algoritmos de reglas y los basados en arboles de decisión generan modelos
predictivos que son más fáciles de comprender por los seres humanos. Imaginemos
que tenemos que transmitir a algún jefe o explicarle a algún cliente, cuáles son las
decisiones que el modelo predictor ha llevado a cabo para clasificar una determinada
instancia. Sin duda, que esta tarea se facilita enormemente en el caso de algoritmos de
reglas y arboles de decisión, por el contrario, esto lo tendríamos mucho más
complicado en el caso de Naive Bayes y SVM.

Nota. Nosotros hemos entrenado (train) nuestro modelo basado en un conjunto
de datos y posteriormente lo hemos probado (test) basado en ese mismo conjunto
de datos, de esta forma hemos visto si se equivoca mucho o poco. Hay que tener
en cuenta, que esto nos dará evaluación demasiado optimista, porque hemos
entrenado justo con esos datos.


Automático

Nota. El proceso de aprendizaje automático dentro de la minería de datos, indica
que se trata de un arte, es decir, a veces para el mismo conjunto de datos,
empleando diferentes algoritmos de aprendizaje, unos algoritmos predicen mejor,
otros peor, o ni peor ni mejor. Lo que se suele hacer es probar con diferentes
algoritmos y ver cuál es el que menos se equivoca.

Nota. Los tiempos de ejecución para los cuatros modelos de esta práctica no han
sido tomado en consideración, ya que en los cuatros el tiempo de ejecución según
RapidMiner es de 0 segundos, habría que ver los milisegundos o bien con mayor
volumen de datos, para apreciar el nivel eficiencia.

En esta tabla se reflejan los resultados obtenidos para los diferentes algoritmos de
aprendizaje de esta práctica.

Algoritmos Otros Datos Precision (Accurary)
Rule Induction 8 Reglas 93.56% (+/-2.85%)
Decision Tree Numero de nodos* 94.87% (+/-2.65%)
Numero de hojas*
Naive Bayes 96.19% (+/-1.64%)
Support Vector Machine 96.63% (+-2.27%)
(SVM)
*Falta cálculo

Nota. A modo de recordatorio, la precisión (o porcentaje de aciertos) se calcula
sumando todos los aciertos y dividiendo por el número de ejemplares de
evaluación.

El mejor algoritmo de aprendizaje, es decir, el que mejor predice es el basado en
Support Vector Machine con una precisión de 96.63%.


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